Las especies extintas que hay dentro

ARRIBA: Fragmentos de ADN de especies extintas permanecen en los genomas de muchos animales, incluido el mastín tibetano que se muestra arriba. el medio de los Himalayas es la meseta tibetana, una gran extensión plana, en gran parte cubierta de hierba, con una elevación promedio de más de 4.500 metros. A tales alturas, el aire es escaso y, debido a las montañas circundantes, la región recibe poca lluvia. Es un ambiente frío y duro para el que muchos animales simplemente no están hechos.

El homo sapiens logró asentarse en este paisaje implacable hace unos 30 000 o 40 000 años, y hace unos 10 000 años atrás, trajeron a sus perros. Si bien eso podría sugerir que nuestra especie es especialmente resistente o adaptable, ahora sabemos que ni las personas ni sus mascotas se las arreglaron solos, ambos copiaron notas de ADN de otras especies para adaptarse. Ya sea antes, durante o poco después de su migración a la meseta, H. sapiens se hizo amigo de los denisovanos, mientras que sus perros domesticados se cruzaron con los lobos tibetanos. Y de esas hibridaciones, ambos obtuvieron variantes adaptativas del gen EPAS1, que codifica una versión de la proteína que ayuda a sus cuerpos, y especialmente a su sangre, a lidiar con niveles más bajos de oxígeno. Tienes exactamente el mismo [fenómeno] entre perros y lobos que entre humanos y denisovanos, explica Rasmus Nielsen, genetista de la Universidad de California, Berkeley. Es genial.

Pero resulta que, para los caninos, esa no es toda la historia. Nielsen y sus colegas descubrieron que antes de que los lobos transmitieran EPAS1 a los perros, los cánidos salvajes obtenían la útil variante EPAS1  al reproducirse con otra especie canina, una que, hasta el día de hoy, permanece desconocido.

Los investigadores se refieren a estas especies extintas, cuyos genes permanecen en los genomas de los animales vivos, como linajes fantasma, y ahora sabemos que están en todas partes del árbol de la vida; simplemente permanecieron ocultos hasta hace poco, cuando los avances en la tecnología de secuenciación y los análisis genómicos comenzaron a revelarlos.

Cuantos más genomas se han secuenciado de los linajes, especies y lugares más diferentes del mundo, más vemos que cuando las cosas interactúan entre sí en el espacio y pueden cruzarse, lo hacen.

Beth Shapiro, Universidad de California, Santa Cruz

Por ejemplo, mientras que los científicos saben desde hace más de una década que los humanos modernos portan secuencias de antiguas hibridaciones con neandertales y denisovanos, más Los análisis recientes sugieren que hay otros ancestros que acechan en nuestros genomas. Descubrir cuándo y dónde las especies de humanos se cruzaron e interactuaron entre sí contará las historias ocultas de nuestro pasado y nos ayudará a comprender por qué H. sapiens es la única especie de homínido que queda viva en la actualidad. Y si fuera solo un caso, hay casos en los que este tipo de eventos son aún más profundos, incluso más dramáticos, en otras especies, dice Sriram Sankararaman, biólogo computacional de la Universidad de California, Los Ángeles, que ha estudiado hibridaciones antiguas en humanos.

Cuantos más genomas se secuencian, más investigadores descubren que estos antiguos susurros genéticos tienen muchos secretos que contar sobre todo tipo de animales.

Regalos fantasmales

Los lobos no están solos, por supuesto, en su inclinación por aparearse con parientes más lejanos. Gracias a ecos genéticos similares de hibridación, los científicos saben que los osos pardos se acurrucaron con los osos de las cavernas antes de que estos últimos se extinguieran (y continúan retozando con los osos polares), las especies de elefantes se cruzaron con frecuencia en la época de los mamuts y los gatos aparentemente fornicaron con otros. felinos en casi cualquier oportunidad. Cuantos más genomas hayan sido secuenciados de más linajes, especies y lugares diferentes en el mundo, más veremos que cuando las cosas interactúan entre sí en el espacio y pueden cruzarse, lo hacen, dice Beth Shapiro, bióloga evolutiva de la Universidad. de California, Santa Cruz, que trabajó con Nielsen en el artículo sobre perros tibetanos.

Ahora, los científicos se están dando cuenta de que esos apareamientos no son solo fructíferos en el sentido de que producen descendencia sobreviviente. Creo que existe una sensación creciente de que esta podría ser una forma de que una población o una especie se adapten rápidamente a medida que avanza hacia nuevos entornos, dice Sankararaman. De hecho, este tipo de adaptación a través de la hibridación, o lo que a menudo se denomina introgresión adaptativa, parece ocurrir todo el tiempo.

La idea de que la hibridación juega un papel importante en la evolución es anticuada para los botánicos, pero bastante nuevo para los zoólogos en los últimos cinco años, dice Nielsen. La opinión predominante, gracias a influyentes biólogos del siglo XX como Ernst Mayr, había sido que la mezcla de parientes lejanos era rara y de poca importancia, especialmente en los mamíferos.

Ver Hybrid Animals Are Not Natures Misfits

Una de las primeras evidencias de la introgresión adaptativa en los mamíferos provino de un estudio de 2015 sobre cerdos domesticados (Sus scrofa domesticus) donde un linaje fantasma Sus era descubierto. Investigadores en China estaban buscando firmas genómicas de adaptación a las latitudes del norte (y, por lo tanto, genes que pueden conferir tolerancia al frío) en 11 razas domesticadas cuando detectaron algo extraño: una región de 14 megabases del cromosoma X que no solo difería entre las razas del norte y las razas del sur, parecía que la versión del norte surgió unos 3,5 millones de años antes de que la especie Sus scrofa  se separara de otros cerdos salvajes.

Un estudio de 2015 en Nature Genetics descubrió que las razas de cerdos del norte de China, como el cerdo Meishan anterior, poseen ADN de una especie Sus  extinguida y desconocida. Keith Weller, Servicio de Investigación Agrícola del USDA

Cuando el El equipo creó un árbol evolutivo para esa parte del genoma, que incluía sus razas de cerdos domesticados, así como jabalíes chinos y europeos (S. scrofa) y otros cuatro cerdos (género Sus), encontraron que las razas del sur se agruparon con las otras Sus especies, como era de esperar, pero las razas del norte formaron su propio grupo distintivo con un patrón de jabalí salvaje europeo que sugería que ambos recibieron el fragmento de 14 Mb de una especie de cerdo desconocida y probablemente extinta. Dos años más tarde, el mismo grupo de investigación encontró otro gen esta vez, uno que puede haber estado involucrado en la domesticación que también parece haber ingresado al genoma del cerdo doméstico a través de la hibridación con otra especie Sus aún no identificada.

Se desconoce si las personas cruzaron intencionalmente a sus cerdos con otras especies porcinas o simplemente seleccionaron genes de un evento de hibridación natural. De cualquier manera, estos hallazgos están lejos de ser los únicos ejemplos documentados de introgresión adaptativa. Además de los ejemplos de EPAS1 en humanos y perros, la investigación genética ha confirmado que los ratones domésticos de Europa occidental (Mus musculus domesticus) obtuvieron un gen que les confiere resistencia al rodenticida warfarina de la El ratón argelino (Mus spretus) y el killis del golfo (Fundulus grandis) pueden tolerar aguas muy contaminadas gracias a los genes obtenidos de los killis del Atlántico (F. heteroclitus ). Estos y muchos otros casos de introgresión adaptativa de los últimos años han reforzado la idea de que la hibridación es un mecanismo clave para la evolución. Es una nueva forma de pensar sobre la evolución, que realmente especies. . . [no están] aislados, están conectados con otras especies, dice Nielsen, y cuando el entorno cambia, pueden recoger ADN para adaptarse a las nuevas condiciones ambientales.

Ver el ADN neandertal en los genomas humanos modernos no es silencioso

Si eso es cierto en términos generales, entonces buscar secuencias fantasmas podría ser una forma de encontrar genes útiles, argumentan Yan Li de la Universidad de Yunnan y Dong-Dong Wu del Instituto de Zoología de Kunming en un Journal of Genetics and Genomics de julio.  documento de revisión. [L]a búsqueda de un legado genético de especies desconocidas, particularmente variantes adaptativas introgresadas, en los genomas de ganado y cultivos existentes proporcionará nuevas fuentes de variación genética para la reproducción y, por lo tanto, ayudará a resolver un problema apremiante para los humanos, escriben.

Nielsen está de acuerdo con esa premisa. Esos genes que han estado saltando de una especie a otra y así sucesivamente, son probablemente los genes importantes para ese entorno, dice, y podrían usarse para otorgar características deseables a las especies. Los humanos llevan mucho tiempo tratando de capturar tales rasgos a través de la hibridación. Hace unos 10.000 años, la gente criaba cerdos chinos con europeos, transmitiendo a estos últimos rasgos clave de fertilidad e inmunidad. De manera similar, la investigación ha revelado que el ganado domesticado en China fue criado con yak y banteng, una especie de ganado endémica del sudeste asiático, para ayudarlos a sobrevivir en altitudes elevadas y ambientes tropicales, respectivamente.

La ciencia genética moderna permite una enfoque más quirúrgico: usar la edición de genes para insertar genes específicos o variantes en los genomas de los animales, en lugar de producir descendencia híbrida con una mezcla de genes de diferentes especies y usar la reproducción selectiva para afinar los rasgos de las generaciones futuras. Este tipo de edición de genes ya se está haciendo con plantas y se está explorando en el ganado, por lo que en el futuro, el ADN fantasma podría ser el objetivo de conferir los rasgos deseados a las plantas y animales que cultivamos.

Ventanas en el pasado

No todas estas secuencias espectrales son adaptativas. Aún así, incluso los fantasmas genómicos que han persistido por casualidad podrían resultar invaluables para los investigadores, ya que pueden revelar nuevos conocimientos sobre la evolución y la ecología de ecosistemas pasados.

Los estudios sobre la introgresión antigua en felinos han notado que los coqueteos entre especies han un marcado impacto en nuestra capacidad para reconstruir con precisión las relaciones evolutivas, por lo que es importante que los biólogos evolutivos las consideren al reconstruir el árbol de la vida. Estas secuencias no son mero ruido, aunque, por el contrario, analizarlas es como otra forma de mirar el registro fósil, dice Shapiro, pero en lugar de tener fósiles que son huesos reales, tenemos pequeños fragmentos de los genomas de estas especies extintas que nos dicen nosotros que existieron.

Tomemos esos cerdos, por ejemplo. Los genes antiguos identificados sugieren que la historia del origen de los cerdos domesticados es más compleja de lo que se pensaba anteriormente y apuntan a lagunas en nuestro conocimiento de los ecosistemas donde se produjo la domesticación. Después de todo, los hallazgos genómicos implican que hay dos especies de cerdos que nunca hemos secuenciado y que eran lo suficientemente comunes en el pasado como para dejar una huella genética en nuestros cerdos.   

Desafíos técnicos y de otro tipo

La investigación de fantasmas genómicos con fines ecológicos y evolutivos aún está en pañales, ya que los métodos estadísticos de vanguardia para detectar introgresiones antiguas solo han recientemente desarrollado. Además, estos métodos se han diseñado principalmente para profundizar en las hibridaciones que ocurrieron en los homínidos, dice Martin Kuhlwilm, biólogo evolutivo de la Universidad de Viena. Por eso, es posible que no funcionen tan bien en otras especies.

Por ejemplo, muchos de estos métodos requieren genomas completos de los parientes antiguos en cuestión, algo que tenemos para los neandertales y los denisovanos, pero que son raros para otros animales extintos. Aún así, el campo del ADN antiguo está explotando, por lo que no es difícil imaginar un futuro en el que los científicos puedan emplear herramientas desarrolladas para estudios de ascendencia humana en cualquier especie animal, generando información que podría ayudar a explicar por qué ellos, y no sus parientes fantasmas, son los los que aún existen hoy en día.

Vea restos de especies de homínidos extintos encontrados en genomas de África Occidental

Las herramientas analíticas no son el único desafío para este tipo de trabajo. Para algunas especies, especialmente las en peligro de extinción, la simple obtención de especímenes puede ser onerosa o costosa. Y cuando la ciencia no nos enseña directamente más sobre la salud humana, dice Kuhlwilm, es difícil convencer a alguien de que pague por todo eso.

El fantasma en el bonobo

Kuhlwilm sostiene que Vale la pena invertir en dicha investigación, porque más allá de ser geniales, los datos que proporcionan son invaluables y, a menudo, imposibles de obtener a través de otros métodos. Su trabajo sobre chimpancés y bonobos (Pan troglodytes y P. paniscus), nuestros parientes vivos más cercanos, es un ejemplo perfecto. Estos animales son similares en muchos aspectos, pero difieren notablemente en su comportamiento. Los bonobos suelen ser menos agresivos y más sexuales que los chimpancés y tienen variaciones más sutiles en su fisiología y ecología. Muchos investigadores están interesados en comprender el origen de estas diferencias. Desafortunadamente, el registro fósil de los grandes simios es particularmente irregular, por lo que hay poco en lo que basarse cuando se buscan respuestas sobre su historia evolutiva.

Los bonobos recibieron ADN de un simio ahora extinto. hace aproximadamente 500.000 años. MARTIN KUHLWILM; Modificado de KUHLWILM ET AL. 2019, Figura 3

Entonces, Kuhlwilm y sus colegas buscaron pistas en los genomas de los simios. Los análisis de introgresión realizados en 69 genomas de chimpancé y bonobo revelaron que las dos especies se habían hibridado en el pasado, pero aún más sorprendente, el 0,94,2 por ciento del genoma del bonobo estaba compuesto por ADN de un simio desconocido. Estos segmentos contenían genes relacionados con la inmunidad, la fisiología y el comportamiento, todo lo cual sugiere que algunas de las notables diferencias entre los bonobos y los chimpancés pueden deberse en parte a la hibridación de los primeros con otra especie.  

Hasta ahora, no sabemos mucho sobre este simio fantasma que probablemente transformó a los bonobos en los más amables de nuestros primos los grandes simios. Los investigadores pudieron reconstruir aproximadamente el 4,8 por ciento de su genoma a partir de sus muestras, pero la secuenciación generalizada de bonobos podría revelar mucho más, lo que permitiría a los investigadores profundizar en preguntas sobre las respuestas fisiológicas de los simios que podrían proporcionar nuevos conocimientos.  

De hecho, Sankararaman señala que con suficientes datos, las secuencias de fantasmas podrían revivir el pasado de una manera sin precedentes. Podríamos usar genomas [arcaicos reconstruidos] para decir algo sobre los fenotipos de estas poblaciones extintas, dice. A partir de tales reconstrucciones, los investigadores podrían obtener aún más información sobre la biología y la ecología de los animales extintos, ya que algunas cosas son más fáciles de obtener visualmente.

Estas inferencias aún están muy lejos. Conectar las mutaciones con la anatomía o los comportamientos es un problema increíblemente difícil, señala, e incluso en los humanos, nuestra capacidad para pasar del genoma a un fenotipo o rasgo es bastante limitada. Aún así, tal trabajo sería realmente emocionante, dice.

Desafortunadamente, la investigación sobre los fantasmas en los genomas animales va contrarreloj, dice Kuhlwilm, porque se basa en la secuenciación de muchos genomas de especies existentes. Creo que el principal obstáculo ahora mismo es la velocidad a la que desaparecen estas especies. Encontrar suficientes genomas de individuos salvajes y secuenciarlos se está convirtiendo en un desafío. . . y eso es muy triste.

Exorcismo genómico: la clave de lo que nos hace humanos

Todas las personas vivas hoy portan secuencias fantasmas de otras especies humanas. Según un artículo de Science Advances publicado el 16 de julio del que Shapiro es coautor, aproximadamente la mitad del genoma humano puede contener secuencias de eventos de introgresión, durante los cuales el ADN fluyó al aparearse con neandertales, denisovanos y potencialmente otros especies de homínidos no caracterizadas, aunque la proporción de ADN de otras especies de cada individuo es solo del 2 al 4 por ciento.

Shapiro y sus colegas centraron en gran medida su estudio en las partes del genoma sin estas introgresiones. Su razonamiento, dice Shapiro, es que esos segmentos nos hacen, bueno, humanos. Probablemente esté ahí, en esa pequeña, diminuta porción del genoma donde nadie tiene ADN arcaico. . . donde realmente necesitamos buscar esos genes que nos hacen únicos, dice ella.

Shapiro explica que incluso si secuenciaras el genoma de cada persona en el planeta hoy y juntaras todos los fragmentos antiguos de ADN que existen dentro de ellos, no serías capaz de construir un genoma completo de neandertal o denisovano. Partes de sus genomas simplemente no existen en los humanos modernos.

Vea Los pasos de la genética para ayudar a contar la historia de los orígenes humanos

Es probable que algunas, si no la mayoría, de estas piezas faltantes abandonó los genomas de los humanos modernos por casualidad, pero Shapiro dice que para otros, simplemente no se podía tener la versión neandertal o denisovana y seguir siendo un ser humano, por lo que esos segmentos de ADN arcaico se eliminaron de los humanos modernos mediante selección negativa.

Ed Green, un ingeniero biomolecular de la Universidad de California, Santa Cruz, Shapiro, y su estudiante graduado en ese momento, Nathan Schaefer (ahora un postdoctorado en la Universidad de California, San Francisco), fueron en busca de esos incompatibles regiones.

Primero, desarrollaron un método para detectar la introgresión arcaica que llamaron SARGE porque se basa en lo que se conoce como gráfico de recombinación ancestral (ARG). Esencialmente, dice Green, crea un árbol evolutivo para cada locus, lo que le da el poder necesario para separar la introgresión arcaica de los genes compartidos con otras especies debido a la ascendencia, así como la capacidad de detectar lo que Green y sus colegas llaman arcaico. desiertos que genéticamente nos separan de nuestros parientes.

Usando SARGE, el equipo examinó 279 genomas humanos modernos del Proyecto de Diversidad del Genoma de Simons, que tomó muestras de poblaciones de todo el mundo, así como dos genomas de neandertal y uno Genoma denisovano. El análisis sugirió al menos una gran ola de reproducción entre los neandertales y los humanos modernos y varios eventos de mezcla más pequeños con los denisovanos. El algoritmo también detectó otra variación genética genética arcaica retenida de los ancestros comunes que nos dieron origen a nosotros y a nuestros parientes más cercanos (lo que los genetistas denominan clasificación de linaje incompleta). Solo el 7 por ciento de nuestros genomas carecían de cualquier rastro de ADN arcaico.

Dentro de estos desiertos arcaicos, el equipo se concentró en regiones que también tenían mutaciones de alta frecuencia totalmente exclusivas de los humanos modernos, razonando que estos cambios ocurrieron después de que el Homo sapiens se separó de nuestros parientes y luego se extendió a gran parte de la población humana. Están donde cualquier H. La novedad específica de sapiens radica, dice Green.

El equipo estima que tales regiones específicas de humanos constituyen aproximadamente el 1,5 por ciento de nuestros genomas. Por base, estas regiones tienen más genes, regiones codificantes de genes y sitios de unión de elementos reguladores que otras partes del genoma, otra pista de que son especialmente importantes para nosotros. Además, ese 1,5 por ciento resultó estar muy enriquecido en genes que tienen que ver con la función del sistema nervioso, dice Green.

Otros grupos han llegado a conclusiones similares, especialmente con respecto a la singularidad del sistema nervioso humano. genes, señala el biólogo evolutivo de la Universidad de Viena, Martin Kuhlwilm, que no participó en el estudio, pero el nuevo trabajo proporciona una resolución más alta que los estudios anteriores. Esa es la contribución más valiosa de su nuevo método, dice, y agrega que con sus métodos, básicamente pueden reducirse a un puñado de genes, que pueden ser el objetivo de más estudios para descubrir las consecuencias funcionales de las variantes específicas de humanos. /p>

Agrega que espera ver este tipo de trabajo detallado en animales no humanos, especialmente primates. Por ejemplo, analizar cómo se ven las partes del genoma específicas de los humanos en los chimpancés podría revelar si esas regiones definen ampliamente a las especies o si solo son especiales en nosotros. Dichos análisis podrían refinar aún más lo que nos hace realmente humanos, dice.